Sistema Não Aterrado ou com Neutro Isolado

São sistemas que operam sem uma conexão intencional entre os condutores do sistema e a terra [34]. Porém, em todo sistema prático, existe uma conexão através da capacitância de acoplamento, que é distribuída ao longo do sistema. Considerando-se que existem capacitâncias de cada fase para a terra, bem como das fases entre si, um sistema isolado pode ser representado pela Figura 16.

Figura 16 - Sistema com Neutro Isolado.

A maior influência no comportamento do sistema é exercida pelas capacitâncias das fases em relação à terra. Se as fases forem perfeitamente transpostas, as tensões fase-terra para as três fases têm valores iguais e deslocadas entre si de 120°. Consequentemente, não existe diferença de potencial entre o ponto neutro do transformador da subestação alimentadora e o ponto neutro das capacitâncias do sistema. Desde que o neutro das capacitâncias esteja no potencial de terra, o ponto neutro do transformador também está no potencial de terra. Se, no entanto, uma das fases for colocada em contato com a terra, ocorre um deslocamento das outras duas fases em relação a ela, ocasionando, nestas fases, tensões iguais ou maiores que as tensões fase-fase, como mostrado na Figura 17. Nestes casos, o nível da corrente de falha é muito baixo, logo os danos aos equipamentos são mínimos; e não é necessariamente essencial que a área afetada seja isolada rapidamente. Esta é uma vantagem deste sistema, que às vezes é utilizado em plantas industriais, onde uma continuidade elevada do serviço é muito importante, pois pode minimizar interrupções nos caros processos de produção.

Figura 17 - Deslocamento da tensão para uma falha fase-terra em um sistema isolado.

É possível visualizar as correntes para terra nas condições de operação normal e de contingência na Figura 18. Pode-se observar que a corrente no ponto de defeito é soma das correntes Ib + Ic , sendo que essas correntes sofrem um

acréscimo de √3.

Duas vantagens principais são atribuídas aos sistemas isolados:

- A primeira é operacional, pois a primeira falta à terra em um sistema faz com que flua somente uma corrente pequena à terra, devido as capacitâncias, assim o sistema pode ser operado com a presença desta falta à terra, o que melhora sua continuidade.

- O segundo é econômico, pois nenhuma despesa é requerida com aterramento dos equipamentos ou condutores de aterramento do sistema. Entretanto, os sistemas isolados são sujeitos as sobretensões transitórias elevadas, destrutivas e, conseqüentemente, apresentam sempre perigo ao equipamento e ao pessoal. Assim, geralmente não são recomendados.

Para estes sistemas os dois fatores principais que limitam a magnitude da corrente de falta à terra são a resistência de falta e a capacitância fase-terra de seqüência-zero. Uma vez que o triângulo de tensões não é, relativamente, afetado, esses sistemas podem permanecer operacionais durante faltas sustentadas de baixa magnitude.

É importante citar que apesar deste sistema apresentar a possibilidade de operar mesmo na presença de uma falta à terra, ele pode ocasionar a evolução do defeitos, devido a ocorrência de sobretensão nas outras fases. Quando se adota este tipo de aterramento visando a operação sustentada com uma falta à terra, deve- se redimensionar toda a isolação e equipamentos da rede, tais como isoladores, pára-raios, transformador,etc.

A auto-extinção de faltas à terra nas linhas aéreas não aterradas é possível para valores baixos da corrente de falta à terra. Para magnitudes maiores da corrente de falta, as faltas têm uma menor probabilidade de se auto-extinguirem na passagem pelo zero natural da corrente de falta devido à interação entre os valores de ionização do meio e a tensão transitória de restabelecimento. Posteriormente, é discutido como um sistema com aterramento ressonante amortece a elevação da tensão de restabelecimento, aumentando, dessa forma, a probabilidade de provocar a auto-extinção da falta à terra.

A corrente que flui através do ponto de falta para uma falta à terra é devida as capacitâncias distribuídas do sistema, que em condições normais de operação se equilibram e se anulam. Já quando há um defeito para à terra, há a criação de um novo caminho para as correntes que são agora desequilibradas e circulam pelo ponto de falta. A magnitude dessas correntes influencia diretamente a capacidade de auto-extinção da corrente de defeito. A capacitância do sistema depende de diversos fatores, sendo os mais preponderantes o nível de tensão do sistema e o comprimento dos ramais. Deste modo, a corrente capacitiva pode alcançar altas magnitudes, sendo praticamente impossível sua extinção. Mesmo para baixos níveis de correntes, a extinção dos arcos de correntes não é fácil, pois devido a característica predominantemente capacitiva da corrente no momento de sua passagem pelo zero, que é o momento em que normalmente os arcos se extinguem, a tensão se encontra em seu maior valor (pico da tensão). Assim o arco tende a re- iniciar, como é possível ver na Figura 19.

Figura 19 – Re-ignição do Arco Voltaico.

Esse fenômeno é agravado no caso de faltas intermitentes, ou seja, onde há a extinção e re-ignição da corrente de arco. Devido às características capacitivas da corrente, a cada meio ciclo, no pico da tensão o arco re-inicia. Tal fenômeno pode gerar tensões transitórias de altas magnitudes, pois esse efeito é semelhante ao que ocorre em chaveamento de capacitores, podendo ocorrer uma multiplicação da

tensão devido à incapacidade do sistema em descarregar sua tensão através das capacitâncias. As Figura 20 e Figura 21 mostram esse fenômeno.

Figura 20 – Decaimento da Tensão nas Capacitâncias do Sistema.

Figura 21 – Fenômeno de Sobretensões Transitórias em Faltas Intermitentes

Figura 22 – Múltiplas Reignições do Arco.

Um ponto a salientar, é que na ocorrência de uma fase entrar em contato com a terra, a corrente para terra no ponto de contato não é expressiva, em conseqüência disso, o esquema tradicional de proteção contra defeitos fase-terra com atuação baseada em correntes torna-se ineficaz. Assim, faz-se necessário a aplicação de outros métodos de detecção de falta para terra.

Os relés de tensão de seqüência-zero [19], ou trifásica, podem detectar faltas à terra nos sistemas não aterrados. Este método de detecção de faltas não é seletivo e requer isolação ou desligamento seqüencial dos alimentadores para determinar o alimentador sob defeito. Um elemento direcional de terra sensível é a alternativa típica [19]. Esses elementos respondem à componente em quadratura da corrente de seqüência-zero em relação à tensão de seqüência-zero.